A5_190 - somim

MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM
22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEÓN, MÉXICO
Análisis de inestabilidad del gradiente salino en un estanque solar
Lozano Sánchez, Francisco Gabriel; Valencia Esparza, Urani;
Rivera Solorio, Carlos Iván
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Departamento de Ingeniería Mecánica. Monterrey, N.L., México
Cátedra de Energía Solar y Termociencias. Av. Eugenio Garza Sada No. 2501 Sur Col. Tecnológico C.P. 64849 Monterrey,
Nuevo León Tel: 83542000 ext. 5430
a00563722@itesm.mx, ing.uvalencia@gmail.com, rivera.carlos@itesm.mx
Resumen
En el presente trabajo, se analiza mediante técnicas
experimentales de velocimetría de partículas la
inestabilidad ocasionada por un flujo de calor
suministrado en la capa inferior de un estanque solar
pequeño, donde se tiene una alta concentración
salina, con el fin de analizar las condiciones en las
cuales el gradiente salino del estanque se destruye,
originando un flujo de calor adverso. Se comparan
los resultados obtenidos con aquellos registrados en
condiciones de flujo incidente sobre la capa superior
de baja salinidad.
Abstract
In this work, the instabilities caused by a heat flux
supplied in the lower layer with high salinity
concentration in a small solar pond are studied
experimentally. With the obtained results,
conclusions can be stated in order to describe under
which conditions the salt gradient in the solar pond is
destroyed, producing an adverse heat flux. The
obtained results are compared with those under
conditions of incident radiation in the upper low
salinity layer.
Introducción
Un estanque solar es un mecanismo colector de
energía, el cual consiste en tres diferentes zonas: la
zona superior convectiva (ZSC), en la cual se tiene
una concentración salina baja, la zona media, también
llamada zona no convectiva (ZNC), en la cual se
tiene un gradiente salino creciente que se aproxima a
la linealidad y una zona inferior (ZI) donde se tiene
una alta concentración salina, cercana a la saturación.
ISBN: 978-607-95309-3-8
Bajo condiciones normales, el estanque solar opera
mediante la acumulación de energía en la zona
inferior de alta salinidad. Esto se logra mediante un
flujo de calor incidente originado por la radiación
solar, el cual se acumula progresivamente en la zona
inferior. La zona media actúa como un aislante
térmico, impidiendo que haya un flujo de calor por
convección hacia la zona superior, debido a que no se
logran originar las corrientes por convección natural
a causa del incremento de la concentración salina en
la capa.
La acumulación de calor en la zona inferior permite
que se alcancen temperaturas cercanas a la de
ebullición del agua natural, como consecuencia de la
alta concentración salina. Además, el hecho de que se
tenga presente una zona media de aislamiento
térmico, provee la ventaja de acumular por largos
periodos de tiempo el calor obtenido, para su
posterior
aprovechamiento
mediante
un
intercambiador de calor. Los estanques solares
representan un mecanismo sencillo que tiene
aplicaciones en procesos de calor, generación de
electricidad,
refrigeración
y
procesos
de
desalinización. En la literatura se pueden encontrar
experimentos realizados para describir el desempeño
térmico de estanques solares con extracción de calor
(M.R.I. Ramadan, 2004), así como mejoras en la
eficiencia térmica al extraer el calor (Akbarzadeh,
2004). Así mismo, se han realizado también análisis
numéricos para estanques solares, donde se analizan
los efectos convectivos en sus diferentes capas
(Jubran, Al-Abdali, Al-Hiddabi, Al-Hinai, & Zurigat,
2004).
Así como se tiene amplia gama de información sobre
las aplicaciones de los estanques solares, se tiene
también documentada la estabilidad del gradiente
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salino de los estanques y la influencia de la
profundidad del estanque en el mismo y en su
desempeño térmico (Saxena, Sugandhi, & Hussain,
2007).
Las principales pérdidas de calor de un estanque solar
se dan hacia los alrededores de su confinamiento y de
la zona inferior hacia las capas superiores. En el
presente proyecto se diseñó un estanque solar a nivel
laboratorio, para un análisis de inestabilidades del
gradiente salino, el cual, al romperse incrementa las
pérdidas por convección natural desde la zona de alta
salinidad hacia las capas superiores. Se han hecho
análisis experimentales para inestabilidades del
gradiente salino en estanques con dos capas
(Choubani, Zitouni, Charfi, Safi Mohamed, &
Aliakbar, 2010). El presente trabajo muestra los
resultados de la inestabilidad del gradiente salino en
estado transitorio de un estanque solar pequeño, así
como la visualización del flujo convectivo en sus
diferentes capas mediante técnicas de velocimetría de
partículas (Particle Image Velocimetry, PIV).
datos Omega OMB-DAQ-55 con 5 puertos
disponibles, para registrarlos posteriormente con el
software del fabricante. Para calentar por radiación el
estanque solar, se utilizó una lámpara de 500 W
colocada a una distancia de 35 cm sobre la superficie
del estanque solar. Esa distancia se definió en base a
experimentos previos realizados en laboratorio,
donde se observó que era una distancia adecuada para
evitar pérdidas importantes de agua ubicada en la
ZSC por evaporación.
Experimento
Se diseñó y construyó un estanque solar a escala, con
el fin de poder analizarlo en un ambiente de
laboratorio, y lograr un mejor análisis con la técnica
de PIV. El estanque solar construido, consta de un
recipiente con sección transversal cuadrada de 10 cm
x 10 cm y una altura de 30 cm, hecho con acrílico
(polimetilmetacrilato) para minimizar las pérdidas
hacia el exterior, tomando ventaja de la baja
conductividad térmica del material (alrededor de 0.3
W/m*K). Se adoptaron estas medidas ya que la
variación de temperaturas en el eje horizontal
despreciable, mientras que a lo largo del estanque se
registran las variaciones más importantes; de igual
manera, las dimensiones del estanque facilitan la
visualización del fenómeno con el PIV.
Se instrumentó el estanque con 5 termopares tipo K,
cada uno con una separación de 5 cm, y el primer
termopar, que estaba en la zona más baja del tanque,
se colocó a una distancia de 1.5 cm del fondo. Con
esto se asignaron dos termopares registrando las
temperaturas correspondientes a la zona inferior, dos
termopares en la zona media y uno más registrando la
temperatura en la zona superior de baja salinidad. Los
termopares fueron conectados a un adquisitor de
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Figura 1. Dimensiones del estanque solar y posición de los
termopares (cm)
En el caso analizado, se tienen 3 capas presentes, la
superior que consiste en un cuerpo de agua con
salinidad muy baja, la cual fue medida en 0.2%
mediante un medidor de salinidad manual Omega
CDH45; la zona media consiste de agua con 5% de
salinidad; y en la zona inferior, se tiene agua con
15% de salinidad. El gradiente salino se obtuvo
realizando por separado las diferentes capas
presentes, agregando la cantidad correspondiente de
sal y, posteriormente, vertiendo capa por capa al
estanque usando un difusor para disminuir el
mezclado de capas debido a un vertido abrupto.
Se usó poliestireno como aislante en las paredes del
estanque, reduciendo al máximo las pérdidas al
medio ambiente. Cabe señalar, que para el análisis de
PIV, dos de las paredes estuvieron sin ningún tipo de
aislante, para permitir la entrada del láser y la toma
de imágenes con la cámara. Para mejor análisis de
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velocimetría, se ubicó una superficie negra en las
paredes opuestas a aquellas por donde se capturaron
imágenes y entró el láser.
Figura 3. Perfiles de temperatura en estanque sin sal,
calentando con lámpara.
Figura 2. Disposición del sistema en general
En un inicio y sólo como punto de referencia, se
vertieron 2.4 litros de agua pura al estanque, los
cuales fueron calentados mediante radiación con la
lámpara de 500 W, colocada a 35 cm sobre la
superficie del estanque. Las temperaturas se
registraron durante 3 horas mientras incidía la
radiación sobre la superficie. En la Figura 3 se
muestran los perfiles de temperatura con respecto a la
profundidad del estanque durante diferentes tiempos
de medición.
Como era de esperarse, la temperatura en la zona
superior, que recibe directamente la radiación
incidente, es muy superior a las temperaturas
registradas en las zonas de más profundidad durante
el tiempo que se tiene encendida la lámpara. Se tiene
un perfil consistente a través del tiempo, con
temperaturas menores a mayor profundidad.
Para poder analizar de manera más precisa el
comportamiento de un estanque sin gradiente, se
procedió a apagar la lámpara y se dejó estabilizar el
sistema.
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Al final del proceso, se tuvo un perfil de temperaturas
en el cual la temperatura máxima se dio en la parte
superior y fue descendiendo gradualmente conforme
a la profundidad del estanque hasta alcanzar
temperaturas mínimas en la zona inferior. La
temperatura registrada en el punto más profundo,
tuvo un leve incremento, esto debido al aislamiento
ocasionado por el acrílico. Sin embargo, la
acumulación de energía térmica en esa zona es
insignificante, impidiendo, por completo, su
aprovechamiento. La Figura 4 describe el
comportamiento de la temperatura en los diferentes
puntos del sistema a través del tiempo después de
haberse apagado la lámpara.
La ausencia de un gradiente salino, provoca que no
haya acumulación de energía térmica en la parte
inferior; la distribución de temperaturas tiende a ser
uniforme y disminuye con el tiempo ya que no hay
ninguna capa que impida la transferencia de calor por
convección de la zona inferior a las zonas superiores.
Resultados
Para el análisis experimental se procedió a tomar
mediciones de temperatura para cada termopar
instrumentado, en función de la profundidad del
estanque. Se realizaron 2 casos: en el primero se
analizó el desarrollo de los perfiles de temperatura
con un gradiente salino y en el segundo, se
registraron los resultados con la presencia de una
inestabilidad ocasionada por un flujo de calor
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proveniente de la resistencia eléctrica y localizado en
la parte inferior del estanque.
Figura 5. Perfiles de temperatura con gradiente salino,
calentado con lámpara
Figura 4. Perfiles de temperatura del estanque sin sal,
después de apagar la lámpara.
Caso 1
En el Caso 1, se analizaron los perfiles de
temperatura para el caso del estanque con gradiente
salino. Se generó una capa inferior de 800 ml con
15% de salinidad, una capa media de 800 ml con 5%
de salinidad y en la zona superior una capa de agua
sin sal también de 800 ml.
La lámpara se colocó a la misma distancia (35 cm
desde el extremo del estanque) y con la misma
disposición para propósitos de consistencia en el
sistema. La Figura 5 muestra la evolución de los
perfiles de temperatura a través del tiempo mientras
la lámpara está encendida. La temperatura registrada
por el termopar más próximo a la superficie en todo
momento es mayor a las demás al igual que el caso
sin gradiente, sin embargo, la temperatura registrada
en el punto más profundo del estanque, es mayor a
las restantes, y se observa que la temperatura
aumenta conforme aumenta la profundidad. Es decir,
en las zonas más bajas se tienen las temperaturas más
altas dentro del estanque, a excepción de la
temperatura de la superficie del agua, que recibe
directamente la radiación incidente. Es patente que se
tiene un caso muy diferente a aquel presente en un
depósito de agua pura.
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Como se mencionó anteriormente, una de las ventajas
que presenta un estanque solar es su capacidad para
almacenar por periodos de tiempo prolongados la
energía térmica acumulada en la zona inferior. Para
visualizar dicho concepto, se procedió a tomar
mediciones en donde se dejaba estabilizar el sistema
después de haber sido calentado por radiación. Esto
también permite corroborar si el gradiente salino está
adecuadamente formado. Como se puede observar en
la Figura 6, se tiene que la temperatura de la zona
superior desciende desde su punto máximo alcanzado
debido a la incidencia de la radiación hasta alcanzar
28.7°C aproximadamente. Sin embargo, la zona
inferior, donde se tiene diferente concentración de
salinidad, no disminuye su temperatura sino que
permite la acumulación de energía térmica.
Figura 6. Perfiles de temperatura para el caso con
gradiente salino después de apagar la lámpara
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La Figura 7 muestra la imagen tomada con el PIV
para el Caso 1, donde se puede observar la presencia
de vectores en la zona superior convectiva (ZSC) y la
ausencia de vectores de velocidad en la zona no
convectiva (ZNC). En la imagen tomada, se observa
la parte superior del estanque experimental, en donde
se encuentra la interfaz entre la ZSC y la ZNC.
Frame 001  25 Apr 2010  C:Experiments7Prueba1_GemapruebaEstanque SolarAnalysisEstanque Solar000139.T000.D000.P017.H017
Vel Mag
0.511981
0.426651
300
0.341321
Y mm
0.255991
0.17066
200
0.0853302
Figura 8. Resistencia eléctrica y estanque para el Caso 2.
0
100
100
200
300
400
X mm
Se dejó que el estanque solar llegara a estado no
transitorio con la irradiación proveniente de la
lámpara, posteriormente se comenzó a suministrar un
flujo de calor constante en la parte inferior del
estanque,
monitoreando
continuamente
las
temperaturas registradas.
Figura 7. Imagen de PIV en el Caso 1 con gradiente salino
Caso 2
Con el registro de los perfiles de temperatura para
caso sin salinidad, y con diferentes concentraciones y
habiendo comprobado que el gradiente salino estaba
presente en base a dichos perfiles, se procedió a
suministrar un flujo de calor desde la parte inferior al
estanque solar mediante una resistencia eléctrica
plana. Esto permitió lograr un análisis de la
inestabilidad del gradiente y observar la ruptura del
mismo.
En la Figura 9, se puede observar el efecto de la
resistencia eléctrica calentando la parte inferior del
estanque solar. La temperatura se va incrementando,
pero inicialmente sólo la zona inferior de alta
salinidad registra una elevación de la temperatura,
manteniéndose estables las temperaturas registradas
en la zona media no convectiva.
Para este caso, se colocó el estanque sobre una
resistencia plana que consta de una plancha eléctrica
Super-Nuova (ver Figura 8). Al encender la plancha,
se comenzó a suministrar un flujo de calor de 100 W
sobre la pared inferior.
Figura 9. Perfiles de temperatura reportados con flujo de
calor de la resistencia eléctrica
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Cuando se tiene alrededor de 60°C registrados en la
zona inferior, la temperatura en la parte inferior de la
zona media comienza a tener un incremento más
notable, siguiendo la tendencia de las temperaturas
inferiores. Finalmente, cuando en la zona inferior se
registra una temperatura de alrededor de 77°C, la
temperatura en la parte superior de la zona media,
cercana ya a la zona superior convectiva con baja
salinidad, empieza a reportar un incremento notable
en la temperatura, lo que lleva a concluir que se está
registrando una transferencia de calor desde la zona
inferior convectiva hacia las capas superiores del
estanque, por lo que se está generando el efecto
adverso, es decir, la pérdida de energía térmica
acumulada en la zona inferior, debido a la
destrucción del gradiente salino.
Con la resistencia eléctrica, se llegó a una
temperatura de alrededor de 81.5°C en la zona
inferior, para posteriormente cortar el flujo de calor
de la resistencia. Se registraron las temperaturas
posteriores en el estanque solar, para observar su
comportamiento a través del tiempo y analizarlo
hasta que llegara a un estado de estable. Como se
puede observar en la Figura 10, la destrucción del
gradiente salino se origina, con consecuencias
adversas para el estanque solar, ya que en la parte
inferior del estanque, se tienen temperaturas
inferiores a las registradas en la zona media, donde
en un inicio se tenía una menor concentración salina.
Esto describe un comportamiento contrario al
deseado en un estanque solar, ya que no se está
originando una acumulación de energía térmica en la
parte inferior.
Para el caso analizado, como se mencionó
anteriormente, se tuvo una concentración salina de
15% en la zona inferior convectiva y del 5% en la
zona media, lo que después origina un perfil de
concentración salina que aumenta de manera estable
en la zona media y llega a un máximo en la zona
inferior, donde se mantiene a lo largo de la misma.
Con estas concentraciones, se pudo lograr una
temperatura de alrededor de 63° C y 32° C en las
zonas inferior y media, respectivamente, antes de que
se empezara a observar una transferencia de calor
adversa. El gradiente salino para el caso analizado, se
destruyó por completo cuando se tenían temperaturas
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de alrededor de 77° C y 34° C en la zona inferior y
en la parte alta de la zona media, respectivamente.
Figura 10. Perfiles de temperatura del estanque después de
haber roto el gradiente salino
La Figura 11 muestra la imagen tomada con el PIV
para el Caso 2, después de haberse destruido el
estanque salino. En este caso se observa una
presencia de vectores de velocidad a través de todo el
estanque, habiéndose perdido la ZNC y
presentándose corrientes convectivas en todo el
estanque solar, que originan la transferencia de calor
de la ZI hacia las zonas superiores del estanque.
Figura 11. Imagen de PIV en el Caso 2 con destrucción del
gradiente salino
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Reconocimientos
Conclusiones
Es importante señalar que la destrucción debido a
inestabilidades térmicas en el estanque solar, conlleva
a un efecto negativo en su operación, ya que se pierde
la energía térmica acumulada, que es precisamente la
energía que se pudiera aprovechar en un estanque
solar. Una alta presencia de inestabilidades debidas a
bajas o inadecuadas concentraciones salinas provoca
la pérdida del gradiente, el mezclado de capas salinas
y, finalmente, deriva en una incapacidad de retención
de energía térmica.
Los perfiles de temperatura registrados para el Caso 1
donde se tiene un gradiente salino, muestran que la
acumulación de energía térmica en la zona inferior se
da porque la zona media actúa como aislante térmico,
evitando las corrientes convectivas que ocasionan la
pérdida de calor hacia las capas superiores del
estanque; al cortar el suministro de calor por
radiación, éste mismo mecanismo es el responsable
de que se permita una acumulación de energía
térmica en la capa inferior por un periodo de tiempo
prolongado.
El Caso 2, como se observó en las mediciones,
presenta el esquema bajo el cual el gradiente salino se
destruye y comienza a perderse calor desde la zona
inferior hacia las superficies superiores, aquí ya se
tienen corrientes convectivas generadas a pesar de la
alta salinidad, originadas por un alto flujo de calor.
Como se observó también, la destrucción del
gradiente salino causa que el estanque pierda su
función primordial, ya que después de cortar el flujo
de calor inferior y permitir la estabilización del
estanque, el perfil de temperaturas registrado es
similar al caso sin salinidad, perdiéndose por
completo el gradiente salino, y la ventaja de
acumulación de energía térmica que representa el
mismo.
Extendemos nuestro más sincero reconocimiento a la
Cátedra de Energía Solar y Termociencias (CAT 125)
por su apoyo para la realización de este proyecto. Así
mismo, agradecemos a la Ing. Gema Enid Méndez
Jaramillo por su valiosa ayuda brindada en la
operación del equipo de velocimetría láser.
Referencias
(1) Akbarzadeh, J. A. (2004). Enhancing the thermal
efficiency of solar ponds by extracting heat from
gradient layer. Solar Energy , 704-716.
(2) Choubani, K., Zitouni, S., Charfi, K., Safi
Mohamed, J., & Aliakbar, A. (2010). Experimental
study of the salt gradient solar pond stability. Solar
Energy , 24-31.
(3) Jubran, B., Al-Abdali, H., Al-Hiddabi, S., AlHinai, S., & Zurigat, Y. (2004). Numerical modelling
of convective layers in solar ponds. Solar Energy ,
339-345.
(4) M.R.I. Ramadan, A. E.-S. (2004). Experimental
testing of a shallow solar pond with continuous heat
extraction. Energy and Buildings , 955-964.
(5) Saxena, A., Sugandhi, S., & Hussain, M. (2007).
Significant depth of ground water table for thermal
performance of salt gradient solar pond. Renewable
Energy , 790-793.
En las imágenes tomadas con el PIV se muestra
claramente el comportamiento de ambos casos: en el
Caso 1 se aprecia un movimiento de vectores en la
parte superior, mientras que la zona media se
mantiene estática. A diferencia de éste caso, cuando
se destruye el gradiente, se observan vectores de
velocidad en todo el estanque.
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